基于現場可編程門陣列的ＱＲ二維條碼識別方法及系統技術方案

本發明專利技術提出了一種基于現場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）的二維條形碼識別系統及其實現方法。采用一塊ＦＰＧＡ核心芯片，一個條碼采集攝像頭，及一塊液晶顯示屏構建成條碼識別系統的硬件平臺。整個系統實現的功能包括二維條碼圖像的采集、條碼圖像的顯示、條碼的譯碼、譯碼數據在液晶屏的實時顯示、譯碼數據通過網絡的發送。整個條碼識別系統都是在基于ＦＰＧＡ的嵌入式系統下實現，并提出了一種簡單快速的符號信息提取方法。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于條碼識別
，是一種基于現場可編程門陣列(FPGA)的QR二維條碼 的識別方法及系統，即基于FPGA的QR碼識別技術。
技術介紹
條碼技術是在計算機技術與信息技術基礎上發展起來的一門集編碼、印刷、識別、數 據采集和處理于一體的新興技術。人們通常所看到的印刷在商品包裝上的條碼是一維條碼， 它是由一組規則排列的條、空及其對應字符組成的，表示一定信息的標識。其中條為深色， 空為淺色，用于條碼識讀設備的掃描識別讀:對應字符(即供人識別的字符)由一組阿拉伯數 字組成供人直接識讀。這組條、空和相應的字符所表示的信息是一致的，它自20世紀70年 代初問世以來，由于其快速、準確、成本低、可靠性高等優點，很快受到了人們的青睞發 展十分迅速，僅僅二十多年的時間，它已經廣泛應用于商業流通、倉儲、醫療衛生、圖書 情報、郵政、鐵路、交通運輸、生產自動化管理等領域、條碼技術的廣泛應用極大地提高 了數據采集和信息處理的速度改善了人們的工作和生活環境提高了工作效率，為管理的科 學化和現代化做出了重要貢獻。國外對二維條碼技術的研究始于20世紀80年代。在二維條碼符號標識技術研究方面， 己經研制出了多種碼制，常見的有PDF417、 QR、 C0DE49、 C0DE16K等。二維條碼技術不僅 已經廣泛的用于政府部門(檔案管理)、公共安全、工商行政管理、郵政、金融業、海關等 需要攜帶信息、傳遞信息、信息防偽的行業，而且已經在美國、加拿大、新西蘭等國家的 交通部門的執照年審、車輛違章登記及年檢上全面應用。許多發展中國家也在各種人證卡 中采用二維條碼，并迅速推廣。我國對二維條碼技術的研究開始于1993年。近十幾年來，國內在大力進行條碼推廣 的同時也積極跟蹤國外技術發展，進行條碼理論基礎和關鍵技術的研究。中國物品編碼公 司對常用的二維條碼如PDF417， QR C0DE、 C0DE49, C0DE16K， COED ONE的技術進行可翻譯和 跟蹤研究。在消化國外相關資料的基礎上，分別于1997年和2000年指定了《四一七條碼》 和《快速響應矩陣碼》。二維條碼技術已經在我國的汽車行業自動化生產線、醫療急救服務、 珠寶玉石管理及銀行匯票上得到了應用。我國的香港已將二維條碼應用到了特別行政區的護照上。一維條碼在商場、金融、海關、生產等各個領域已經得到了廣泛的應用，大大提高了 資料收集與資料處理的速度，但是由于受到了信息容量的限制， 一維條碼僅僅能標識商品， 而不能描述商品，因此相當受限于電腦網絡和后臺數據庫。在網絡資源受到限制或者不便 于建立后臺數據庫的應用環境， 一維條碼很難派上用場。因此編碼專家在80年代末專利技術了 二維條碼，其具有高密度、大容量、糾錯能力強等特點，拓寬了條碼的應用領域。如表1所示為各種識別技術比較圖表1識別技術比較圖二維條碼磁卡IC卡射頻技術{曰息里大較小大大保密性好一般好好成本低一般一般高抗環境污染較強較差一般較強抗干擾能力較強較差一般強適用壽命較長短長最長由于大多數的二維條碼是矩陣式的二維條碼，用于掃描一維條碼的線掃描的識讀方法 已經不合適用于二維條碼，因此二維條碼的生成與識別成為了廣泛的研究課題。根據詳細 的市場調查，絕大多數的二維條碼都是由國外進行研制的，雖然很多的二維條碼已經成為 了國際或者國內的標準，但是對于各種二維條碼識別的關鍵技術還是在國外公司手中，盡 管國內也有少數的一些公司或者研究機構也在研究類似的二維條碼的識讀設備，但在識讀 率、識讀速度等性能尚與國外有很大的差距，而且各個公司對技術也采取了保密措施，使 得二維條碼技術的研究有著深遠的意義。QR CODE是由日本的Denso公司于1994年9月研制的一種矩陣式二維條碼符號，它具 有一維條碼及其他二維條碼所具有的信息量大、可靠性高等特點，同時相比其他二維條碼， QR碼具有超高速識讀、全方位識讀、能有效的標識中國漢字等特點，因此研究對QR碼的識讀很有意義。隨著微電子技術的發展，可編程邏輯器件規模越來越大，速度越來越快，功能越來越 強。目前已經有若干種FPGA器件支持嵌入式處理軟核，為基于FPGA的硬件開發提供了更7多的選擇。NIOS II是Altera公司開發的一種采用流水線技術、單指令流的RISC嵌入式 處理器軟核，可嵌入FPGA內部，與用戶自定義邏輯結合構成一個基于FPGA的片上系統。 與嵌入式硬核相比較，嵌入式軟核擁有更大的靈活性。FPGA的高速性恰恰滿足了條碼識別 系統對速度的要求。同時NiosII軟核處理器還具有以下優勢1) 利用NiosII軟核處理器可以通過更大規模的系統集成、FPGA/CPU的優化來降低成本；2) NiosII軟核處理器比較靈活，設計周期比較短，而且可以通過升級延長產品生存時間；3) 用戶自定義指令和自定義邏輯可以加速復雜的算術運算和邏輯；4) 用Nios II C2H編譯器與沒有加速的軟件相比，性能上提高40倍以上。
技術實現思路
本專利技術公開了一種基于FPGA技術的嵌入式QR碼識別方法，對于QR碼識別系統而言， 條碼符號信息提取的準確度直接關系到最后條碼識別效果的好壞，因此本專利技術提出了一種 簡單快速的對QR碼符號信息提取的方法，在不進行對原始圖像進行復雜的糾正算法的情況 下，準確提取出實QR碼的符號信息，使之更適合在嵌入式中實現。本專利技術基于現場可編程門陣列的QR碼識別方法的技術方案是一種基于現場可編程門 陣列的QR碼識別方法，該方法通過采用符號信息提取方法實現準確的提取條碼符號信息。 具體的QR碼的識別方法的步驟為1. QR碼圖像的采集采用CCD攝像頭對條碼進行抓拍，可以采集到較高分辨率和清晰 度的QR碼圖像；2. QR碼圖像信息的錄入本專利技術使用SRAM作為數據緩存，通過按鍵采集到圖片后， 將圖片數據存入片外SRAM中，然后利用NIOS CPU (NIOS CPU是Altera公司的第二代用戶 可配置的通用32位RISC軟和微處理器，是Altera公司特有的基于FPGA架構的軟CPU內 核)將數據從SRAM搬移到SDRAM中進行圖像識別。3. QR碼圖像信息預處理條碼圖像的預處理過程，實際上是條碼圖像增強的處理過程。 精確的條碼識別高度依賴于對條碼特征中基本正方形小模塊的識別。但由于條碼本身、采 集條件等各種原因的影響，從攝像頭上采集到的原始條碼圖像會不同程度地受到采集時的 設備環境和被采集人的工作環境及生活環境等綜合因素的影響，圖像中往往包含有很多噪 聲，造成條碼圖像質量下降。因此，采集到原始條碼圖像后，要對圖象進行預處理。條碼圖像預處理過程包括了圖像的自適應亮度均衡化、0tsu二值化、濾波。4. QR碼識別通過CCD攝像頭采集到QR碼圖像，然后將QR碼圖像進行預處理后，就 用符號信息提取方法提取出條碼的符號信息，最后用QR碼國家標準提供的譯碼方法譯出條 碼所包含的信息，在顯示屏上顯示出來。所述符號信息提取方法包含圖像定位、圖像矯正、 從背景中提取符號信息等環節。5. QR碼譯碼在得到了條碼的符號信息后，只需要將GB/T 18284-2000中華人民共和國 國家標準快速響應矩陣碼編碼標準中編碼算法前后倒置，從后向前還原就可以得到QR碼的 原始信息，譯碼順序是先確定QR碼的當前版本，然后根據標準里的掩膜類本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于現場可編程門陣列的二維條碼識別方法，該方法利用ＦＰＧＡ作為載體，實現二維條碼ＱＲ條碼的快速識別，其實現步驟為：　（１）ＱＲ條碼圖像的采集：采用ＣＣＤ攝像頭對條碼進行抓拍，利用ＦＰＧＡ采集模塊采集ＱＲ碼圖像；　（２）ＱＲ條碼圖像信息的錄入：使用片外ＳＲＡＭ作為數據緩存，將采集的ＱＲ碼圖像數據存入片外ＳＲＡＭ中，然后利用ＦＰＧＡ的ＮＩＯＳ　ＣＰＵ將數據從片外ＳＲＡＭ搬移到ＦＰＧＡ片內ＳＤＲＡＭ中進行圖像識別；　（３）ＱＲ條碼圖像信息預處理：條碼圖像預處理過程依次包括圖像自適應亮度均衡化、Ｏｔｓｕ二值化和濾波環節，即對圖像先進行自適應亮度均衡化處理、再通過Ｏｔｓｕ二值化將ＱＲ條碼圖像轉換成黑白二值圖，最后通過濾波消除圖像噪聲；　（４）ＱＲ條碼識別：利用符號信息提取方法提取出ＱＲ條碼的符號信息，最后用ＱＲ條碼國家標準提供的譯碼算法譯出符號信息中所包含的原始信息，并在顯示屏上顯示出來或通過網絡發送給系統數據庫。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：何偉，張玲，黃丹靈，張立，易明，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發明
國別省市：85[中國|重慶]